光绪十三年（1887年），赴英、德两国接“致远”“经远”等四舰，次年以副将补用，加总兵衔，任“致远”舰管带。以治军严格、忠勇刚正闻名。

在光绪二十年（1894年）爆发的黄海海战中，指挥“致远”舰战斗，在战舰受创侧倾的情况下，全速撞向日联合舰队第一游击队旗舰“吉野”（一说撞向日本联合舰队“本队”中的“松岛”等舰），决心与其同归于尽。但在行驶途中，“致远”舰爆炸沉没，邓世昌同全舰绝大部分官兵一同壮烈殉国 ，年仅四十六岁。清廷追赠他为太子少保，赐谥“壮节”，允其入祀昭忠祠。

邓世昌视死如归，自沉黄海，其“忠勇性成，一时称叹” 。时人撰联称“此日漫挥天下泪，有公足壮海军威” 。《清史稿》中赞其“死状尤烈，与左宝贵并称双忠”。